CHAOUR Mohamed , BOULKROUNE Sofiane , BOUREBIA Mounira et MAOUCHE Hichem Étude numérique de l’influence des mélanges gazeux dans un four de réchauffage

Étude numérique de l’influence des mélanges gazeux dans un four de réchauffage

CHAOUR Mohamed

, BOULKROUNE Sofiane

, BOUREBIA Mounira

et MAOUCHE Hichem

1 Welding and NDT Research, Centre (CSC), B.P 64 Cheraga, Algeria.

2 Laboratoire d’Energétique Appliquée et Environnement, Département de Génie Mécanique, Faculté de Sciences de l’Ingénieur, Université Constantine 1, Route d’Ain El Bey, 25017 Constantine, ALGERIE.

Email: chaourmed@yahoo.fr

Abstract—This work aims to evaluate the operating process of the diffusion flame industrials burners. We are particularly interested in the effect of gas mixtures on the dynamic and thermal flow field characteristics as well as on the flame stability and the resulting flow field composition. The study was conducted on an industrial gas burners 250kilowatt. Numerical simulations are per formed using the computer code FLUENT, using the turbulence standard k-ε model coupled to turbulent combustion ED (Eddy Dissipation). The results obtained for a fuel considered methane- hydrogen mixture. The volume proportion of hydrogen ranges from 0 to 100%, modes prove that the flow field structure and the flame shape in the combustion chamber depend on the composition of the fuel.

Keywords-industrial burner, gas mixtures, numerical simulation, standard k-ε model, Turbulent Combustion.

Résumé — Ce travail s’inscrit dans le cadre d’une étude visant l’optimisation des paramètres de fonctionnement des brûleurs industriels à flamme de diffusion. L’exemple développé ici s’intéresse particulièrement à l’étude de l’effet des mélanges gazeux sur les caractéristiques dynamique et thermique de l’écoulement ainsi que leurs impacts sur la stabilité de la flamme et la composition du mélange. L’étude est menée sur un brûleur industriel à gaz de 250kilowatt. Les simulations numériques sont effectuées à l’aide du code de calcul FLUENT, en utilisant le modèle de turbulence k-ε standard couplé au modèle de combustion turbulente ED (Eddy Dissipation).les résultats obtenus pour un combustible considéré un mélange méthane- hydrogène. La proportion volumique d’hydrogène varie de 0 à 100%, montrent que la structure de l’écoulement et la forme de la flamme dans la chambre de combustion dépendent de la composition du combustible.

Mots-clés : Brûleur industriel, mélanges gazeux, Simulation numérique, Modèle κ −ε Standard, Combustion Turbulente.

Nomenclature : h Enthalpie [J/kg.K]

M Masse moléculaire [kg/mol]

p Pression [Pa]

e Energie interne [J/kg.K]

t Temps [s]

T Température [K]

u Composante de vitesse [m/s]

w Terme source [-]

y Fraction de masse [-]

Symboles Grecs

k Conductivité thermique [W/m.k]

ρ Densité de masse [kg/m³] Indices

α Espèces chimique

i, j Les composants des paramètres vectoriel sur les axes (x, y).

I. INTRODUCTION

La combustion turbulente se rencontre dans l’industrie le plus souvent dans les bruleurs à gaz, les turboréacteurs et les moteurs des fusés. La turbulence joue un rôle indispensable pour mélanger le plus rapidement possible les gaz en présence, elle est due essentiellement aux forts gradients de vitesse qui existent entre l’air et le gaz [1].

Dans le secteur industriel, les brûleurs constituent l’alternative la plus adoptée pour convertir l’énergie fossile en énergie thermique. Ceci a incité plusieurs auteurs [2] et [3], à optimiser le fonctionnement de ces brûleurs afin d’augmenter leurs rendements et diminuer leurs émissions.

La modélisation de la combustion turbulente nécessite généralement une prise en compte d’une cinétique complexe ; Journées d’Etudes Nationales de Mécanique, JENM’2015

Ouargla, 21-22Avril 2015, pp. xxx-xxx

par ailleurs, la simulation de la formation un calcul du dégagement de chaleur satisfa Dans ce travail, nous nous intéresso numérique d’un écoulement turbulent avec combustible et mixte du mélange substitut méthane par de l’hydrogène pour exam mélange sur les zones de réaction [5], fumées et les concentrations dans les fumée

II. FORMULATION MATHEMATIQUE D

Les équations de bilan de l’aérothermo une étude de la combustion pour un écoul sont [6] et [7].

Continuité

( )

⋅

∇

∂ +

∂ u

t

ρ

ρ

Quantité de mouvement

( ^ρ ) ^{τ ρ}

ρ

x t u

i j j

i ^{=−∇ +∇ +}

∑

∂ + ∂

∂

∂

Energie

( )

T k h y V

u pu

e x u t

e

j j

∇

− +

∇ +

−∇

∂ = + ∂

∂

∂

∑

α

ρ

τ

ρ

ρ

(

Espèces

(

) (

)

j

i u y V y

x t

y

ρ ρ

ρ

∂ + ∂

∂

∂

Etat thermodynamique M RT p ⁼

∑

α α

ρ

Avec : i=1, 2,3 et j=1, 2,3

III. CONFIGURATION GEOMETR

Le brûleur étudié est un brûleur à fl d’une puissance d’environ 250 kilowatt.

injecté à travers une section totale de S comburant d’une section de SAir= 70 m donnée particulière considérée.

n des polluants exige faisant [4].

sons à la simulation ec une combustion, le tution d’une partie du aminer l’effet de ce ], la température des

ées.

DU PROBLEME

mochimie utilisé dans ulement compressible

α α

α f

∑

u) .

(3)

wi

ρ τ

∇ ⁽⁴⁾

TRIQUE

flamme de diffusion . Le combustible est SMél= 20 mm, et le mm Pour la même

FIGURE 1:CONFIGURAT

FIGURE 2:CONFIGURATIO

IV. CONDITIO

Les conditions d’in comburantes (Air) sont obten d’air égal à 10%. Ainsi, considérés sont donnés par le

TABLEAU CON Débit du combustible Température d’injecti Débit d’air de combusti Température de l’air de com

Les conditions aux limite données sur la figure 3.

FIGURE 3:CON

V. MODE

La simulation numérique industriel « FLUENT » qui u volumes finis couplée à un s Le problème est stationnaire,

ATION GEOMETRIQUE DU FOUR

ION GEOMETRIQUE DE BRULEUR IONS D’INJECTION ET AUX LIMITES

’injection caractérisant les entrées tenues en se fixant un taux d’excès i, les débits et les températures le tableau1suivant :

NDITIONS D’INJECTION ble (Kg/s) 0.105

ction (K°) 300

stion (Kg/s) 0.82 ombustion (K°) 300

ites de la configuration étudiée sont

NDITIONS AUX LIMITES

ELE NUMERIQUE ET MAILLAGE

ue est effectuée à l’aide du code i utilise une méthode numérique aux n schéma de résolution multi grille.

e, bidimensionnel.

La résolution des équations régissant l’écoulement est effectuée à l’aide de l’algorithme SIMPLE et en utilisant le modèle de turbulence k-ε standard. Le couplage entre la turbulence et la réactivité du système imposée par les réactions de combustion a été traité par la méthode ED (Eddy Dissipation).

Le maillage de la géométrie (figure 4) est réalisé à l’aide de triangles. Il est pris fin à l’entrée de la chambre de combustion. Plus loin, c’est à dire dans le reste de la chambre de combustion il devient de plus en plus lâche, le nombre du nœud et 14623.

FIGURE 4 :MAILLAGE DE LA CHAMBRE DE COMBUSTION

Les différentes espèces chimiques prises en compte pour la combustion sont : H2, CH4, O2, CO2, H2O. Les réactions chimique stœchiométrique utilisée est les suivantes :

CH4+2 O2 CO2+2 H2O O2 + 2 H2 2 H2O

VI. RESULTATS ET DISCUSSION

Dans la chambre de combustion la structure de l’écoulement dépend de nombreux paramètres : le déflecteur, la canne d’injection, le turbulateur (taux de rotation de l’air).

Dans cette étude, on s’intéresse à l’effet de la substitution d’une partie du méthane par de l’hydrogène sur les caractéristiques dynamique et thermique de l’écoulement.

Ainsi, pour la même géométrie particulière considérée, le combustible considéré est un mélange méthane-hydrogène. La proportion volumique d’hydrogène varie de 0 à 100%.

A. Etude de la structure dynamique de l’écoulement La figure 5 fournit les résultats des simulations effectuées pour plusieurs pourcentages volumiques d’hydrogène dans le mélange combustible.

0% d’H2

10% d’H2

20% d’H2

30% d’H2

60% d’H2

100% d’H2

F^IGURE 5:CONTOURS DES LIGNES DE COURANT

La figure 5, montre aussi que le changement de pourcentage d’hydrogène modifie la structure de l’écoulement dans la chambre de combustion. L’intensité de la zone de réaction principale augmente de manière très importante dès qu’on ajoute 10% d’hydrogène dans le combustible. En effet, l’intensité moyenne dans la zone de réaction principale est triplée dès l’ajout de seulement 10% d’hydrogène. Ensuite à partir de 30% d’H2 elle diminue, elle est probablement liftée vers le haut du fait des fortes vitesses (à 40% d’H2).

En revanche, la zone de réaction secondaire (entre les jets de combustible et l’oxygène présent dans les gaz recirculant) devient nettement discernable dès l’ajout de 10% d’H2 et son intensité croit avec le pourcentage d’hydrogène: la réactivité du mélange combustible est augmentée par l’ajout d’hydrogène, en effet, l’hydrogène est un composé nettement plus réactif que le méthane (la vitesse de flamme laminaire de l’hydrogène dans l’air est plus grande que la vitesse de flamme laminaire du méthane).

Finalement, en fonctionnement à l’hydrogène pur, l’intensité des zones de réaction continue à augmenter. La zone de réaction principale est décalée vers le haut par les fortes vitesses d’injection qui contrebalancent la plus forte réactivité du mélange à forte concentration en hydrogène.

B. Influence de l’ajout d’hydrogène sur les températures La figure 6 représentes les profiles des températures au milieu du four pour plusieurs pourcentages volumiques d’hydrogène dans le mélange combustible.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Température [K°]

Y [m]

20 % d'H₂ 40 % d'H₂ 60 % d'H₂ 80 % d'H₂

F^IGURE 6:PROFILS DES TEMPERATURES A X=2^M

La température dans le four augmente à l’augmentation du pourcentage d’H2. Ces température, lorsqu’elles recirculent, viennent chauffer les parois du four.

L’évolution de la température des fumées en fonction du pourcentage d’hydrogène dans le mélange combustible est représentée sur la Figure 7.

0 20 40 60 80 100

600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

Température [K°]

H₂ [%]

F^IGURE 7:P^{ROFIL DE} TEMPERATURE DES FUMEES.

La température des fumées augmente à l’augmentation du pourcentage d’H2.

C. Analyse de la composition du mélange

L’objectif principal de l’optimisation du fonctionnement d’un four est de minimiser au maximum ses émissions polluantes tout en maintenant un taux de conversion élevé en espèces carbonés.

Pour le fonctionnement du brûleur on donne sur la figure 8, les évolutions des fractions massiques du CO₂ et du H₂O à la sortie de la chambre de combustion. On note que la fraction

massique du CO₂, figure (8a), dans les fumées diminue lorsque l’on augmente le pourcentage d’hydrogène, donc le combustible contient moins d’atome de carbone.

Sur la figure (8b), on constate que la fraction massique du H₂O est plus faible pour une combustion au méthane pur, la combustion à l’hydrogène produit plus d’eau que la combustion au méthane. Ce résultat concorde bien avec l’augmentation du pourcentage d’hydrogène.

0 20 40 60 80 100

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8

Fraction massique de CO2

H₂ [%]

(a)

0 20 40 60 80 100

0,060 0,065 0,070 0,075 0,080 0,085 0,090 0,095

Fraction massique de H2O

H₂ [%]

(b)

FIGURE 8:PROFILS DES FRACTIONS MASSIQUES

CONCLUSION

Dans cette étude, on a simulé numériquement l’influence des mélanges gazeux sur la structure des zones de réaction et l’émission polluantes. On a considéré un mélange méthane- hydrogène et on a montré que l’ajout de l’hydrogène change radicalement la structure des zones de réaction et la température augment à l’augmentation de pourcentage d’hydrogène. En effet, on a constaté que les émissions polluantes diminuent lorsque l’on augmente le pourcentage d’hydrogène.

REFERENCES

[1] F. Bouras, A. Soudani et M. Si-Ameur, “Simulation aux grands échelles de la combustion turbulente couplée à des fonctions densités de probabilité”,Proceeding of International Conference on Energetics and Pollution, Organized by LEAP, Pages 45-50, 2007.

[2] L. Bebar, V. Kermes, P. Stehlik, J. Canek and J. Oral, “Low NOx burners prediction of emissions concentration based on design, measurements and modelling”, Wastemanagement,22, Issue 4, Pages 443-451, 2002.

[3] E.Perthuis, “Revue des techniques de réduction des émissions d’oxydes d’azote au niveau des brûleurs”, Revue Générale de Thermique, 330.pp.374–377, 1989.

[4] R. Mouangue, M. Obounou, “Numerical simulation of turbulent diffusion flames of H2/Air”, Phys. Chem. News, 50.pp.69–78, 2009.

[5] C. Rottier, “Etude expérimentale de l’influence des mélanges gazeux sur la combustion sans flamme”, PhD,Ecole doctorale SPMII, 2010.

[6] C. David Pierce, “Progress-variable approach for large-eddy simulation of turbulent combustion”, PhD, Stanford University, 2001.

[7] S. Cheolko and H. Jin Sung, “Large-scale turbulent vertical structures inside a sudden expansion cylinder chamber,Flow, Turbulence and Combustion”,Kluwer Academic Publishers, Vol.68.pp.269-287, 2002.